Una técnica para generar automáticamente componentes de hardware para sistemas robóticos.

A medida que los robots se vuelven cada vez más sofisticados y avanzados, normalmente requerirán una cantidad cada vez mayor de componentes de hardware, incluidos miembros robóticos, motores, sensores y actuadores. Además, los robots tienen computadoras integradas que procesan los datos recopilados por sus sensores y planifican sus acciones futuras en consecuencia.

Sin embargo, la mayoría de las soluciones de software que se ejecutan actualmente en estos equipos no son ideales, ya que sus limitaciones de velocidad les impiden procesar cantidades particularmente grandes en tiempo real. Una forma posible de mejorar las capacidades de las computadoras integradas dentro de los robots es usar arreglos de puertas programables en campo (FPGA), dispositivos semiconductores basados ​​en una matriz de bloques lógicos configurables que están conectados a través de interconexiones programables.

Una ventaja significativa de estos dispositivos es que se pueden reprogramar para adaptarse a aplicaciones específicas. Los FPGA podrían mejorar significativamente las capacidades informáticas de los robots, al mismo tiempo que los hacen más adaptables a aplicaciones específicas. Sin embargo, incorporarlos a los sistemas existentes hasta ahora ha demostrado ser un gran desafío, ya que el uso de aceleradores individuales con capacidades de integración específicas limita su aplicabilidad.

Investigadores de Technische Universität Dresden (TUD) han desarrollado recientemente una técnica que podría permitir el desarrollo de robots que integran numerosos aceleradores de hardware. Esta técnica, presentada en un artículo publicado en Acceso IEEE, en última instancia, podría facilitar el reemplazo de los componentes de software existentes que alimentan los sistemas robóticos con componentes basados ​​en FPGA.

«Este trabajo está en el contexto de el proyecto CeTI, que tiene como objetivo mejorar las colaboraciones entre humanos y máquinas o, más generalmente, sistemas ciberfísicos (CPS) en entornos reales, virtuales y remotos «, dijo a TechXplore Ariel Podlubne, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. , es un trabajo interdisciplinario que combina investigación de hardware (Presidente de Adaptive Dynamic Systems) y modelado de software (Cátedra de Tecnología de Software). «

El nuevo estudio de Podlubne y sus colegas es una extensión de su investigación anterior, que exploró posibles formas de integrar FPGA en sistemas robóticos. El enfoque que presentaron realiza un análisis exhaustivo de las especificaciones de los mensajes asociados con el sistema operativo del robot (ROS), los sistemas operativos ROS2 y potencialmente otras soluciones de software. Luego, utiliza los resultados de este análisis para generar interfaces de hardware y arquitecturas para sistemas robóticos.

«Nuestro trabajo demuestra la capacidad de generar un sistema complejo basado en FPGA a partir de una descripción simple de la aplicación, basada en una especificación conocida para roboticistas (mensajes ROS)», dijo Podlubne. «Con eso, las partes de un sistema robótico pueden ser reemplazadas por una FPGA, creando sistemas de mejor desempeño y más eficientes energéticamente».

La cadena de herramientas puede generar todos los componentes necesarios para crear un sistema robótico de alto rendimiento, excluyendo solo la lógica del acelerador, que deberá ser programada por los desarrolladores que trabajan en el sistema. Por lo tanto, el nuevo enfoque puede simplificar significativamente la interconexión de arquitecturas de hardware y componentes de software, lo que puede ser una tarea engorrosa para quienes crean robots.

Inicialmente, los investigadores demostraron que su método puede generar componentes de hardware para sistemas basados ​​en el sistema operativo ROS. Sin embargo, luego pudieron ampliar sus funcionalidades para que también fuera compatible con el sistema operativo ROS2.

«Un esfuerzo complementario fue la infraestructura de prueba», dijo Podlubne. «Dimos un paso más para evaluar todos los mensajes ROS existentes, más allá de algunos casos de uso. Esto resultó ser extremadamente útil ya que el proceso de desarrollo implica múltiples iteraciones para tener una solución robusta. Nuestro objetivo era lograr el soporte completo de ROS / ROS2, y nuestro La infraestructura de pruebas nos permitió detectar errores y generar confianza en nuestra investigación «.

En el futuro, el enfoque podría allanar el camino hacia el desarrollo de sistemas robóticos de mejor rendimiento basados ​​en FPGA. Estos sistemas podrían ser capaces de analizar grandes cantidades de datos en tiempo real y, por lo tanto, podrían ayudar a los humanos a resolver problemas más complejos.

«Nuestros próximos estudios se centrarán en extender la cadena de herramientas para automatizar la inserción de aceleradores FPGA (donde se realiza el cálculo) e incluir la Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR) para cambiar los aceleradores sobre la marcha, de acuerdo con las necesidades actuales de la aplicación que está desplegado «, agregó Podlubne.

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